-
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Derartige optische Sensoren können beispielsweise als Lichttaster oder als Distanzsensoren ausgebildet sein. Generell werden mit diesen optischen Sensoren Objekte in einem Überwachungsbereich erfasst. Bei diesen optischen Sensoren werden als Kenngrößen allein die Intensitäten oder gegebenenfalls die Laufzeiten der vom Sender emittierten und von einem Objekt zurückreflektierten Sendelichtstrahlen ausgewertet. Je nach Anordnung und Beschaffenheit der Objekte können anhand dieser Informationen die zu detektierenden Objekte von anderen Gegenständen oft nur unzureichend unterschieden werden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass zur Detektion von diffus reflektierenden Objekten, die in größeren Distanzen vom optischen Sensor angeordnet sind, große Sendeleistungen benötigt werden. Insbesondere wenn der Sender von einem Laser gebildet ist, kann dies dazu führen, dass die Anforderungen des optischen Sensors an die Augensicherheit nicht erfüllt werden können.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der eingangs genannten Art bereitzustellen, der eine Objektdetektion mit hoher Nachweisempfindlichkeit ermöglicht und dabei gleichzeitig eine hohe Funktionssicherheit aufweist.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
Der erfindungsgemäße optische Sensor dient zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich, mit einem Sendelichtstahlen emittierenden Sender und einem Empfänger, welcher zum Empfang der von einem Objekt als Empfangslichtstrahlen zurückreflektierten Sendelichtstrahlen dient. In einer Auswerteeinheit wird in Abhängigkeit von Empfangssignalen des Empfängers ein Objektfeststellungssignal generiert. Die Objekte sind in Form von Lumineszenz-Marken selektiv dadurch erfassbar, dass dem Empfänger ein optisches Filter vorgeordnet ist, welches für Licht mit der Wellenlänge der Sendelichtstrahlen des Senders undurchlässig ist, und für Licht mit der Wellenlänge der von einer Lumineszenz-Marke zurückgestrahlten Empfangslichtstrahlen durchlässig ist.
-
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen optischen Sensors besteht darin, dass mit diesem selektiv Lumineszenz-Marken detektiert werden und diese somit von anderen, nicht lumineszierenden Objekten sicher unterschieden werden können.
-
Mit dem erfindungsgemäßen optischen Sensor können unterschiedliche Applikationen abgedeckt werden, wobei der optische Sensor dabei ein Lichttaster, Distanzsensor oder Codeleser ist.
-
Der optische Sensor und auch die Lumineszenz-Marke können dabei an die entsprechende Applikationen angepasst sein. Im Fall der Ausbildung des optischen Sensors als Codeleser kann die Lumineszenz-Marke ein Kontrastmuster aus lumineszierenden und nicht lumineszierenden Elementen ausbilden, wobei das Kontrastmuster insbesondere einen Barcode ausbilden kann. Der optische Sensor selbst weist vorzugsweise einen Sender auf, der einen linienförmigen Sendelichtfleck generiert, sowie einen ortsauflösenden Empfänger in Form einer zeilenförmigen Anordnung von einzelnen Empfangselementen.
-
Allgemein sind die optischen Filter von einem aus lumineszierendem Material gebildeten Festkörper, oder von einer lumineszierenden Flüssigkeit, oder von einem Gegenstand mit einer lumineszierenden Oberflächenschicht gebildet.
-
Dabei kann die Lumineszenz-Marke beispielsweise ein Klebeband mit lumineszierender Farbe oder ein Anstrich aus lumineszierender Farbe sein.
-
Besonders vorteilhaft können die Lumineszenz-Marken an Gegenständen oder auch an Personen angebracht werden, um gezielt deren Positionen oder Bewegungen zu verfolgen. Beispielsweise kann der optische Sensor im Bereich der Arbeitssicherheit eingesetzt werden. Dort kann Arbeitskleidung von Personen mit Lumineszenz-Marken versehen werden, wodurch diese sicher von technischen Objekten unterschieden werden kann.
-
Weiterhin können mit dem optischen Sensor beispielsweise Positionsmessungen auf Kanten von Lumineszenz-Marken oder Distanzmessungen auf Lumineszenz-Marken erfolgen. Auch können kleine Objektstrukturen erfasst werden, beispielsweise Ritzen, die lumineszierende Flüssigkeiten enthalten.
-
Besonders vorteilhaft emittiert der Sender Sendelichtstrahlen in Form von Sendelichtimpulsen, wobei von einem Objekt zurückreflektierte Sendelichtimpulse als Empfangslichtimpulse auf den Empfänger auftreffen.
-
Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für einen als Distanzsensor ausgebildeten optischen Sensor.
-
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung arbeitet dieser nach einem Resonanzprinzip, wobei hierzu Resonatormittel vorgesehen sind, mittels derer sind durch Empfangslichtimpulse auf dem Empfänger generierte Empfangssignale auf den Eingang des Senders rückgekoppelt sind. Durch die Rückkopplung der Empfangssignale auf den Eingang des Senders wird eine Pulsfrequenz der Sendelichtimpulse erhalten, die durch die Laufzeit der Sendelichtimpulse zu einer Lumineszenz-Marke bestimmt ist. Die Rückkopplung der Empfangssingale auf den Eingang des Senders erfolgt nur bei einer Detektion einer Lumineszenz-Marke. Die Empfangssignale werden mit einem Schwellwert bewertet, wobei nur bei von einer Lumineszenz-Marke zurückgestrahlter Empfangslichtimpulsen die Empfangssignale oberhalb des Schwellwerts liegen.
-
Mit dem so ausgebildeten optischen Sensor wird nicht nur eine genaue Distanzbestimmung der Lumineszenz-Marke ermöglicht. Vielmehr ist bei diesen optischen Sensoren auch ein augensicherer Betrieb gewährleistet. Der optische Sensor emittiert nämlich nur bei Detektion einer Lumineszenz-Marke Sendelichtimpulse mit einer hohen Pulsfolgefrequenz. Nur dann ist die Ausgangsleistung entsprechend hoch. Sobald die Sendelichtstrahlen des optischen Sensors jedoch auf nicht lumineszierende Objekte treffen, sinkt sofort die Pulsfolgefrequenz der Sendelichtimpulse, das heißt die einzelnen Sendelichtimpulse sind durch große Pausen getrennt, das heißt die Ausgangsleistung ist entsprechend niedrig und nicht gefährlich für das menschliche Auge, das auch ein nicht lumineszierendes Objekt bildet.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der optische Sensor nach dem Lock-in-Prinzip arbeiten.
-
Dabei werden die Empfangssignale synchron zu den Sendelichtimpulsen abgetastet. Bei den Abtastungen erhaltene Abtastwerte werden über mehrere Sendeperioden aufsummiert.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1: Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Sensors.
-
2: Wellenlängenabhängiger Transmissionsverlaufs eines optischen Filters für den optischen Sensor gemäß 1.
-
3a: Zeitlicher Verlauf der vom Sender des optischen Sensors emittierten Sendelichtimpulse bei der Detektion einer Lumineszenz-Marke.
-
3b: Zeitabhängiger Verlauf der Empfangssignale für den Betrieb des Senders gemäß 3a.
-
4a: Zeitlicher Verlauf der vom Sender des optischen Sensors emittierten Sendelichtimpulse bei der Detektion eines Objekts mit nicht lumineszierender Oberfläche.
-
4b: Zeitabhängiger Verlauf der Empfangssignale für den Betrieb des Senders gemäß 4a.
-
5a: Zeitabhängiger Verlauf der Sendelichtimpulse des Senders eines im Lock-in-Betrieb betriebenen optischen Sensors.
-
5b: Zeitabhängiger Verlauf der Empfangssignale für den Betrieb des optischen Sensors gemäß 5a.
-
5c: Zeitdiagramm von aufsummierten Abtastwerten des Empfangssignals gemäß 5b.
-
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Sensors 1. Der optische Sensor 1 weist einen Sender 2 auf, der von einer Leuchtdiode, insbesondere von einer Laserdiode, gebildet sein kann. Der Sender 2 emittiert Sendelichtstrahlen 3 in Form von Sendelichtimpulsen. Weiterhin weist der optische Sensor 1 einen Empfangslichtstrahlen 4 empfangende Empfänger 5 auf, der von einer einzelnen Photodiode oder dergleichen gebildet ist. Bei der Erfassung von Objekten 6 in einem Überwachungsbereich werden die Sendelichtstrahlen 3 an einem Objekt 6 reflektiert und als Empfangslichtstrahlen 4 zum Empfänger 5 geführt. Die Empfangssignale am Ausgang des Empfängers 5 werden in einem Empfangsverstärker 7 verstärkt und dann einer Auswerteeinheit 8 zugeführt, die von einem Mikroprozessor gebildet sein kann. Die Auswerteeinheit 8 dient zur Ansteuerung des Senders 2 und zur Auswertung der Empfangssignale des Empfängers 5. Ein daraus in der Auswerteeinheit 8 abgeleitetes Objektfeststellungssignal wird an einem Schaltausgang 9 ausgegeben. Zur Parametrierung des optischen Sensors 1 oder zur weiteren Ausgabe von Objektfeststellungssignalen ist eine serielle Schnittstelle 10 vorgesehen.
-
Dem Empfänger 5 ist ein optisches Filter 11 vorgeordnet, das dazu dient, selektiv Lumineszenz-Marken 12 zu detektieren, die insbesondere auf Objekten 6 angeordnet sind. Die Lumineszenz-Marken 12 werden dabei eindeutig von Objekten 6 mit nicht lumineszierenden Objektoberflächen unterschieden.
-
Der Sender 2 emittiert Sendelichtstrahlen 3 mit einer bestimmten Wellenlänge. Treffen die Sendelichtstrahlen 3 auf eine nicht lumineszierende Objektoberfläche, werden an dieser die Sendelichtstrahlen 3 als Empfangslichtstrahlen 4 reflektiert, wobei die Empfangslichtstrahlen 4 dieselbe Wellenlänge wie die Sendelichtstrahlen 3 aufweisen.
-
Treffen dagegen die Sendelichtstrahlen 3 auf eine Lumineszenz-Marke 12, so wird das lumineszierende Material durch die Sendlichtstrahlen 3 angeregt und strahlt Empfangslichtstrahlen 4 ab, deren Wellenlänge größer ist als die Wellenlänge der Sendelichtstrahlen 3, was insbesondere der Fall ist, wenn es sich bei dem lumineszierenden Material um ein fluoreszierendes Material handelt.
-
2 zeigt die Transmission des optischen Filters 11 des optischen Sensors 1 in Abhängigkeit der Wellenlänge. Wie aus 2 ersichtlich, sperrt das optische Filter 11 in einem Anregungsbereich, das heißt in diesem Wellenlängenbereich ist das optische Filter 11 undurchlässig für Lichtstrahlen. Dagegen ist das optische Filter 11 für Lichtstrahlen in einem Lumineszenzbereich durchlässig. Die Charakteristik des optischen Filters 11 ist so angepasst, dass die Wellenlänge der Sendelichtstrahlen 3 im Anregungsbereich liegt, wogegen die von einer Lumineszenz-Marke 12 zurückgestrahlten Empfangslichtstrahlen 4 im Lumineszenzbereich liegen. Damit wird erreicht, dass Sendelichtstrahlen 3, die von einer nicht lumineszierenden Objektoberfläche zurückreflektiert werden, von optischen Filtern 11 ausgefiltert werden, so dass die Empfangssignale nahezu den Pegel Null aufweisen. Dagegen durchsetzen von einer Lumineszenz-Marke 12 zurückgestrahlte Empfangslichtstrahlen 4 das optische Filter 11, so dass entsprechend Empfangssignale mit hohen Pegeln in der Auswerteeinheit 8 registriert werden. Durch eine geeignete Schwellwertbewertung der Empfangssignale in der Auswerteeinheit 8 können somit Lumineszenz-Marken 12 sicher von Objekten 6 mit nicht lumineszierenden Objektoberflächen unterschieden werden.
-
Die
3a, b und
4a, b zeigen zeitabhängige Signalverläufe für einen nach dem Resonanzprinzip arbeitenden optischen Sensor
1. Dieser ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß
1 dahingehend weitergebildet, dass Resonatormittel vorgesehen sind, mittels der durch Empfangslichtimpulse auf dem Empfänger
5 generierte Empfangssignale auf den Eingang des Senders
2 rückgekoppelt sind. Dadurch entsteht ein Resonanzkreis, der den Betrieb des Senders
2 abhängig von den mit den Sendelichtstrahlen
3 erfassten Objekten
6 steuert. Ein spezifisches Beispiel hierfür ist in der
DE 100 18 948 A1 beschrieben, deren Offenbarung in die vorliegende Anmeldung mit einbezogen wird.
-
Durch die Rückkopplung der Empfangssignale auf den Eingang des Senders 2 wird eine Pulsfrequenz der Sendelichtimpulse erhalten, die durch die Laufzeit der Sendelichtimpulse zu einer Lumineszenz-Marke 12 bestimmt ist.
-
Dabei erfolgt die Rückkopplung der Empfangssingale auf den Eingang des Senders 2 nur bei einer Detektion einer Lumineszenz-Marke 12.
-
Um dies zu erreichen, werden die Empfangssignale (die in den 3b, 4b dargestellt und dort mir Ue bezeichnet sind) mit einem Schwellwert S1 bewertet).
-
Die 3a, 3b zeigen den Fall einer Detektion einer Lumineszenz-Marke 12, das heißt die Sendelichtimpulse (dargestellt in 3a) treffen auf die Lumineszenz-Marke 12 und die von dieser zurückgestrahlten Empfangslichtimpulse durchsetzen das optische Filter 11 und treffen auf den Empfänger 5, so dass die Empfangssignale oberhalb des Schwellwerts S1 liegen. Dadurch, dass auf den ersten Sendelichtimpuls ein Empfangssignal oberhalb des Schwellwerts S1 registriert wird, wird durch die Rückkopplung des Empfangssignals auf den Sender 2 mit einer geringen Pause t-Resonanz der nächste Sendelichtimpuls generiert. Dieses Vorgehen setzt sich fort, bis das Empfangssignal unter den Schwellwert S1 abfällt. Die Pause t-Resonanz ist durch die Rückkopplung im Resonanzbereich abhängig von der Laufzeit der Sendelichtimpulse zu der detektierten Lumineszenz-Marke 12, das heißt durch Auswertung der Pausen t-Resonanz kann die Distanz der Lumineszenz-Marke 12 zum optischen Sensor 1 bestimmt werden.
-
Die 4a, 4b zeigen den Fall einer Detektion eines Objekts 6 mit einer nicht lumineszierenden Oberfläche. Zur Zeit t1 wird vom Sender 2 ein Sendelichtimpuls emittiert (4a). Der von der Objektoberfläche zurückreflektierte Empfangslichtimpuls wird vom optischen Filter 11 gespeichert, so dass das Empfangssignal unterhalb des Schwellwerts S1 liegt. Daher erfolgt in diesem Fall keine Rückkopplung auf den Sender 2, so dass dieser sofort einen weiteren Sendelichtimpuls generiert. Vielmehr entsteht eine lange Sendepause t-Pause, bis zum Zeitpunkt t2 der nächste Sendelichtimpuls emittiert wird. Die Sendepausen sind so dimensioniert, dass die Sendeleistung so gering ist, dass keine Gefährdung für die Augen eines Menschen (gemäß der geltenden Normen für die Augensicherheit) auftritt.
-
Die 5a–5c zeigen einen optischen Sensor 1, der nach dem Lock-in-Prinzip arbeitet. Der Sender 2 emittiert im vorliegen Fall Sendelichtimpulse mit einem Tast-Verhältnis 1:1, das heißt die Dauer eines Sendelichtimpulses entspricht der Dauer einer Sendepause (5a). Allgemein sollte in diesem Fall das Tastverhältnis zumindest näherungsweise 1:1 sein, typisch sollte das Tastverhältnis zwischen 1:1 und 1:3 liegen.
-
5b zeigt die bei der Detektion einer Lumineszenz-Marke 12 erhaltenen Empfangssignale. Diese werden synchron zu den Sendelichtimpulsen gemäß 5a abgetastet. Dabei erfolgen pro Sendeperiode zwei Abtastungen (in 5b mit A und B bezeichnet).
-
Zur Generierung des Objektfeststellungssignals wird für jede Sendeperiode die Differenz der beiden Abtastwerte gebildet. Die Differenz ist ein Maß für die Intensität des Empfangslichts. Zur Steigerung der Nachweisempfindlichkeit erfolgt, wie in 5c dargestellt, die Aufsummierung der für einzelne Sendeperioden gebildeten Differenzen. Damit können auch sehr kleine Empfangssignale selektiv verstärkt und von einem thermischen Rauschen der empfangsseitigen Bauteile, das heißt der Empfangsstufe, oder von Fremdlicht getrennt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Optischer Sensor
- 2
- Sender
- 3
- Sendelichtstrahlen
- 4
- Empfangslichtstrahlen
- 5
- Empfänger
- 6
- Objekt
- 7
- Empfangsverstärker
- 8
- Auswerteeinheit
- 9
- Schaltausgang
- 10
- Schnittstelle
- 11
- Optisches Filter
- 12
- Lumineszenz-Marke
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
